Automobilové LED budicí obvody - analýza návrhu

V automobilech nebo automobilech začaly být LED diody preferovanou volbou osvětlení. Ať už se jedná o zadní koncová světla nebo kontrolky v klastru, jak je znázorněno na obrázku 1 níže, všechny dnes obsahují LED. Jejich kompaktní rozměry pomáhají všestrannosti designu a nabízejí perspektivu, že budou stejně odolné jako samotná délka života vozidla.

Obrázek 1

Na druhou stranu, i když jsou LED vysoce efektivní zařízení, jsou náchylná ke zhoršení vlivem neregulovaných parametrů napětí, proudu a teploty, zejména v drsném automobilovém ekosystému.

Aby bylo možné zvýšit účinnost a stálost LED světla, Návrh obvodu ovladače LED vyžaduje opatrnou analýzu.

Elektronické obvody, které se používají jako ovladače LED, zásadně využívají tranzistory. Jednou standardní topologií obvodu, která se často používá v LED budičích, je lineární topologie, kde je tranzistor navržen pro práci uvnitř lineární oblasti.

Tato topologie nám dává možnost výroby budicí obvody pouze přes tranzistory nebo pomocí specializovaných integrovaných obvodů s integrovanými tranzistory a dalšími funkcemi pro vylepšení LED.

V diskrétních aplikacích bývají oblíbené bipolární tranzistory (BJT), které jsou vysoce dostupnými komoditními produkty.

Navzdory skutečnosti, že BJT se snadno konfigurují z hlediska obvodu, lze najít velké komplikace při vytváření celkového řešení ovladače LED, které splňuje aktuální přesnost řízení, rozměr PCB, správu tepla a diagnostiku poruch, což je několik důležitých předpokladů celý pracovní rozsah napájecího napětí a teploty.

Dále, jak množství LED se zvyšuje , návrh obvodů pomocí diskrétních stupňů BJT je ještě propracovanější.

Ve srovnání s diskrétními částmi, použití Alternativy založené na IC se zdají být pohodlnější s ohledem na rozložení obvodu, ale navíc na konstrukční a vyhodnocovací postupy.

Kromě toho může být obecný lék možná ještě dostupnější.

Parametry pro navrhování automobilových LED ovladačů

Proto při navrhování obvodů ovladače LED pro automobilové osvětlení Je důležité uvažovat o ohniskových bodech LED, vyhodnotit alternativy návrhu obvodů a faktory v požadavcích systému.

LED je ve skutečnosti spojovací dioda typu N (PN) typu P, která umožňuje, aby se jím proud pohyboval pouze v jednom směru. Proud začne protékat, jakmile napětí na LED dosáhne minimálního dopředného napětí (VF).

Úroveň osvětlení nebo jas LED je dána dopředným proudem (IF), zatímco to, kolik proudu LED spotřebovává, závisí na napětí aplikovaném na LED.

I když jas LED a dopředný proud IF jsou lineárně příbuzné, dokonce i mírné zvýšení dopředného napětí VF přes LED může vyvolat rychlou eskalaci příjmu proudu LED.

LED diody s různými barevnými specifikacemi mají kvůli specifickým polovodičovým přísadám odlišné specifikace VF a IF (obrázek 2). Je nutné vzít v úvahu specifikace datových listů každé LED, konkrétně při použití různých barevných LED v jednom obvodu.

Obrázek č. 2

Například při vývoji s červeno-zeleno-modré (RGB) osvětlení , červená LED může přijít s Forward napětím kolem 2 V, zatímco stejná pro modrou a zelenou LED může být kolem 3 až 4 V.

Vzhledem k tomu, že tyto diody LED provozujete z jediného společného zdroje napětí, možná budete potřebovat dobře vypočítanou hodnotu rezistor omezující proud pro každou z barevných LED, aby nedošlo ke zhoršení LED.

Tepelná a energetická účinnost

Kromě parametrů napájecího napětí a proudu vyžaduje také pečlivá analýza teplota a energetická účinnost. I když je většina proudu aplikovaného na LED přeměněna na LED světlo, malé množství energie se přemění na teplo v PN přechodu zařízení.

Teplota generovaná na LED spoji může být vážně ovlivněna několika externími parametry, jako jsou:

• atmosférickou teplotou (TA),
• tepelným odporem mezi přechodem LED a okolním vzduchem (RθJA),
• a ztrátovým výkonem (PD).

Následující rovnice 1 odhaluje specifikaci ztrátového výkonu PD diody LED:

PD = VF × IF ------------ Rovnice č. 1

S pomocí výše uvedeného můžeme dále odvodit následující rovnici, která vypočítává teplotu spojení (TJ) LED:

TJ = TA + RθJA × PD ---------- Rovnice č. 2

Je důležité stanovit TJ nejen za normálních pracovních podmínek, ale také při absolutní maximální okolní teplotě TA návrhu, s ohledem na obavy z nejhoršího scénáře.

Se zvyšující se teplotou přechodu LED TJ se zhoršuje účinnost práce. Dopředný proud IF LED a teplota spojení TJ musí zůstat pod jejich absolutním maximálním hodnocením, jak je klasifikováno v technických listech, aby byla chráněna před zničením (obrázek 3).

Obrázek č. 3

Kromě LED diod byste měli také vzít v úvahu energetickou účinnost rezistorů a hnacích prvků, jako jsou BJT a operační zesilovače (operační zesilovače), konkrétně s nárůstem počtu samostatných komponent.

Nedostatečná energetická účinnost stupňů budiče, doby zapnutí LED a / nebo okolní teploty, všechny tyto faktory mohou vést ke zvýšení teploty zařízení, ovlivnění proudového výstupu ovladače BJT a snížení poklesu VF LED .

Vzhledem k tomu, že nárůst teploty snižuje pokles dopředného napětí LED, zvyšuje se aktuální spotřeba LED, což vede k proporcionálně zvýšenému ztrátovému výkonu PD a teplotě, což způsobuje další snížení poklesu dopředného napětí LED VF.

Tento cyklus nepřetržitého zvyšování teploty, označovaný také jako „tepelný únik“, nutí LED diody fungovat nad jejich optimální provozní teplotu, což způsobuje rychlou degradaci a v určitém okamžiku poruchu zařízení kvůli zvýšené úrovni spotřeby IF .

Lineární LED ovladače

Provozování LED diod lineárně přes tranzistory nebo integrované obvody je ve skutečnosti docela pohodlné. Ze všech možností je nejjednodušším přístupem k ovládání LED obvykle připojení přímo přes zdroj napájecího napětí (VS).

Správný odpor omezující proud omezuje odběr proudu zařízení a opravuje přesný pokles napětí pro LED. K výpočtu hodnoty sériového rezistoru (RS) lze použít následující rovnici 3:

RS = VS - VF / IF ---------- Eq # 3

S odkazem na obrázek č. 4 vidíme, že se 3 LED používají sériově, při výpočtu VF by měl být zohledněn celý pokles napětí VF přes 3 LED (přední proud LED IF zůstává konstantní.)

Obrázek č. 4

I když se může jednat o nejjednodušší konfiguraci ovladače LED, může být v praxi implementace zcela nepraktická.

Napájecí zdroje, zejména automobilové baterie, jsou citlivé na kolísání napětí.

Menší nárůst napájecího vstupu způsobí, že LED odebírá vyšší množství proudu a následně se zničí.

Kromě toho nadměrný ztrátový výkon PD v rezistoru zvyšuje teplotu zařízení, což může vést k tepelnému úniku.

Diskrétní ovladače LED s konstantním proudem pro automobilové aplikace

Při použití funkce s konstantním proudem zajišťuje vylepšené energeticky účinné a spolehlivé rozložení. Vzhledem k tomu, že nejběžnější technikou pro provoz LED je přepínání zapnutí a vypnutí, umožňuje tranzistor dobře regulované napájení.

Obrázek č. 5

S odkazem na obrázek 5 výše je možné použít buď BJT nebo MOSFET na základě specifikací napětí a proudu konfigurace LED. Tranzistory ve srovnání s odporem snadno zvládnou větší výkon, přesto jsou citlivé na vzestupy a pády napětí a teplotní výkyvy. Například, když napětí kolem BJT stoupá, jeho proud se také úměrně zvyšuje.

Aby byla zajištěna dodatečná stabilita, je možné tyto obvody BJT nebo MOSFET přizpůsobit tak, aby dodávaly konstantní proud i přes nerovnováhu napájecího napětí.

Navrhování zdroje proudu LED

Obrázky 6 až 8 ukazují několik ilustrací obvodů zdroje proudu.

Na obrázku 6 generuje Zenerova dioda stabilní výstupní napětí do základny tranzistoru.

Rezistor omezující proud RZ zajišťuje řízený proud, který umožňuje správnou funkci Zenerovy diody.

Výstup Zenerovy diody produkuje konstantní napětí navzdory kolísání napájecího napětí.

Úbytek napětí nad odporem emitoru RE by měl doplňovat úbytek napětí Zenerovy diody, proto tranzistor upravuje kolektorový proud, který zajišťuje, že proud procházející diodami LED zůstane vždy konstantní.

Použití zpětné vazby operační zesilovač

Na obrázku 7 níže je zobrazen obvod operačního zesilovače se zpětnovazební smyčkou pro vytvoření ideálního obvodu řadiče automobilové LED. Zpětnovazební připojení zajišťuje, že se výstup automaticky upraví tak, aby potenciál vyvinutý na jeho záporném vstupu zůstal stejný jako jeho kladný referenční vstup.

Zenerova dioda je sevřena pro generování referenčního napětí na neinvertujícím vstupu operačního zesilovače. V případě, že proud LED překročí předem stanovenou hodnotu, vyvíjí úměrné množství napětí přes snímací rezistor RS, který se pokouší překročit zenerovu referenční hodnotu.

Protože to způsobí, že napětí na záporném invertujícím vstupu operačního zesilovače překročí kladnou referenční hodnotu Zenerova výstupu, vynutí výstup operačního zesilovače k ​​vypnutí, což zase sníží proud LED a také napětí na RS.

Tato situace znovu vrátí výstup operačního zesilovače do stavu ZAPNUTO a aktivuje LED a tato samočinná akce operačního zesilovače pokračuje nekonečně a zajišťuje, že proud LED nikdy nepřekročí vypočítanou nebezpečnou úroveň.

Obrázek 8 výše ilustruje ještě jeden návrh založený na zpětné vazbě provedený pomocí několika BJT. Zde proud protéká pomocí R1 a zapíná tranzistor Q1. Proud pokračuje v cestování přes R2, což fixuje správné množství proudu přes LED.

V případě, že se tento proud LED přes R2 pokusí překročit předem stanovenou hodnotu, úměrně se také zvýší pokles napětí na R2. V okamžiku, kdy tento pokles napětí vzroste na napětí mezi základnou a emitorem (Vbe) tranzistoru Q2, začne se Q2 zapínat.

Když je Q2 zapnutý, Q2 nyní začíná odebírat proud přes R1, což nutí Q1, aby se začalo vypínat, a stav udržuje samočinné nastavování proudu přes LED, což zajišťuje, že LED proud nikdy nepřekročí nebezpečnou úroveň.

Tento tranzistorový omezovač proudu se zpětnovazební smyčkou zaručuje konstantní dodávku proudu do LED podle vypočtené hodnoty R2. Ve výše uvedeném příkladu jsou implementovány BJT, ale přesto je v tomto obvodu možné použít MOSFET pro aplikace s vyšším proudem.

Budiče LED s konstantním proudem využívající integrované obvody

Tyto základní stavební bloky založené na tranzistorech lze snadno replikovat pro provoz několika řetězců LED, jak je znázorněno na obrázku 9.

Ovládání skupiny LED řetězce rychle způsobí nárůst počtu komponent, zabírá vyšší prostor PCB a spotřebovává větší počet univerzálních vstupů / výstupů (GPIO).

Kromě toho jsou takové konstrukce v zásadě bez úvah o regulaci jasu a diagnostice chyb, což jsou základní potřeby většiny aplikací LED s napájením.

Zahrnutí specifikací, jako je řízení jasu a diagnostika poruch, vyžaduje další počet samostatných komponent a přidané postupy analýzy návrhu.

LED vzory, které zahrnují vyšší počet LED , způsobí, že návrhy diskrétních obvodů zahrnují vyšší počet součástí, což zvyšuje složitost obvodu.

Za účelem zefektivnění procesu návrhu se považuje za nejúčinnější použít specializované integrované obvody, které fungují jako ovladače LED . Mnoho diskrétních komponent, jak je uvedeno na obrázku 9, lze usnadnit pomocí ovladače LED založeného na IC, jak je znázorněno na obrázku 10.

Obrázek č. 10

Integrované obvody ovladačů LED jsou speciálně navrženy pro řešení kritických specifikací napětí, proudu a teploty LED diod a také pro minimalizaci počtu dílů a rozměrů desky.

Integrované obvody ovladače LED mohou mít navíc další funkce pro řízení jasu a diagnostiku, včetně ochrany proti přehřátí. To znamená, že je možné dosáhnout výše uvedených pokročilých funkcí pomocí diskrétních návrhů založených na BJT, ale integrované obvody se zdají být poměrně snadnější alternativou.

Výzvy v automobilových LED aplikacích

V mnoha automobilových implementacích LED se ovládání jasu stává nezbytnou nutností.

Vzhledem k tomu, že nastavení dopředného proudu IF pomocí LED upravuje úroveň jasu proporcionálně, lze pro dosažení výsledků použít analogové návrhy. Digitální metoda řízení jasu LED je pomocí PWM nebo pulzní šířkové modulace. Následující podrobnosti analyzují dva koncepty a ukazují, jak je lze použít pro automobilové LED aplikace

Rozdíl mezi analogovým a PWM ovládáním jasu LED

Obrázek 11 hodnotí hlavní rozdíl mezi analogovými a digitálními metodami ovládání jasu LED.

Obrázek č. 11

Použitím analogové regulace jasu LED se osvětlení LED mění o velikost proudícího proudu, větší proud vede ke zvýšení jasu a naopak.

Kvalita analogového stmívání nebo regulace jasu však není uspokojivá, zejména při nižších rozsazích jasu. Analogové stmívání obvykle není vhodné pro aplikace LED závislé na barvě, jako je RGB osvětlení nebo stavové indikátory, protože měnící se IF má tendenci ovlivňovat barevný výstup LED, což způsobuje špatné rozlišení barev od LED RGB.

V porovnání, Stmívače LED založené na PWM neměňte dopředný proud LED IF, spíše ovládejte intenzitu změnou rychlosti zapnutí / vypnutí LED diod. Poté průměrný proud LED doby zapnutí rozhodne o poměrném jasu na LED. Nazývá se také pracovní cyklus (poměr šířky impulzu k pulznímu intervalu PWM). Díky PWM má vyšší pracovní cyklus za následek vyšší průměrný proud procházející LED, což způsobuje vyšší jas a naopak.

Vzhledem k tomu, že jste schopni jemně doladit pracovní cyklus na různé rozsahy osvětlení, pomáhá PWM stmívání dosáhnout mnohem širšího stmívacího poměru ve srovnání s analogovým stmíváním.

Ačkoli PWM zaručuje vylepšený výstup regulace jasu, vyžaduje více analýzy designu. Frekvence PWM musí být mnohem vyšší než to, co může naše vidění vnímat, jinak by LED diody mohly vypadat, jako by blikaly. Kromě toho jsou obvody stmívače PWM proslulé generováním elektromagnetického rušení (EMI).

Rušení z LED ovladačů

Automobilový obvod LED řidiče s nedostatečným ovládáním EMI může nepříznivě ovlivnit další sousední elektronický software, například generování bzučivého šumu v rádiu nebo podobném citlivém audio zařízení.

Integrované obvody ovladače LED vám jistě mohou poskytnout jak analogové, tak stmívací funkce PWM spolu s doplňkovými funkcemi pro řešení EMI, jako je programovatelná rychlost záběru, fázový posun výstupního kanálu nebo skupinové zpoždění.

LED diagnostika a hlášení poruch

Diagnostika LED, která zahrnuje přehřátí, zkrat nebo přerušený obvod, jsou oblíbeným předpokladem designu, zvláště když aplikace vyžaduje více provozů LED. Ovladače LED minimalizují riziko poruchy LED a mají regulovaný výstupní proud s větší přesností než tranzistorové diskrétní topolgie ovladače.

Spolu s tím integrují ovladače IC navíc ochranu proti přehřátí, aby zajistily vyšší očekávanou životnost LED a samotného obvodu ovladače.

Předřadníky LED určené pro automobily musí být vybaveny tak, aby detekovaly chyby, například přerušení LED nebo zkrat. Několik aplikací může také vyžadovat následná opatření k potlačení zjištěné chyby.

Jako příklad obsahuje modul zadního světla automobilu řadu řetězců LED diod pro osvětlení koncových a brzdových světel. V případě, že je v jednom z řetězců LED detekována porucha LED, musí být obvod schopen vypnout celou řadu LED, aby bylo možné zabránit dalšímu poškození zbývajících LED.

Akce by také varovala uživatele ohledně nestandardního degradovaného modulu LED, který je třeba odinstalovat a odeslat k údržbě výrobci.

Body Control Modules (BCM)

Aby bylo možné poskytnout diagnostické upozornění uživateli automobilu, inteligentní přepínač na vysoké straně v řídicí modul karoserie (BCM) registruje poruchu prostřednictvím prvku zadního světla, jak je znázorněno na obrázku 12 výše.

Identifikace chyby LED prostřednictvím BCM by mohla být komplikovaná. Občas můžete použít stejný design desky BCM k detekci standardních obvodů založených na žárovkách nebo systému založeného na LED, protože proud LED má tendenci být podstatně menší na rozdíl od spotřeby žárovky, rozlišující logickou zátěž LED.

Závěr

Otevřená nebo odpojená zátěž může být obtížně identifikovatelná, pokud diagnostika snímání proudu není navržena přesně. Místo toho, aby měl jednotlivý otevřený řetězec LED, je vypnutí celého řetězce řetězců LED pro BCM pro hlášení situace otevřeného zatížení snadněji detekovatelné. Podmínka, která zajistí, že pokud dojde k poruše jedné LED, bude možné provést kritérium selhání všech LED, které vypne všechny LED při detekci jedné poruchy LED. Automobilové lineární ovladače LED obsahují funkci, která umožňuje reakci jeden selhání - jeden za druhým a dokáže identifikovat běžnou chybovou sběrnici v rámci více konfigurací integrovaných obvodů.